熱軋鋁板帶表面劃痕產(chǎn)生原因分析及改進

魏 鵬,羅 濤,顧紹均

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

1 概 況

以某鋁廠鋁板帶熱連軋生產(chǎn)線的情況為例，介紹鋁熱軋板帶表面產(chǎn)生劃痕的現(xiàn)象：鋁錠坯加熱出爐后，在粗軋機往復軋制過程中，當軋制到150 mm～200 mm厚度鋁板時，偶然在某個道次后，板材上表面出現(xiàn)條狀劃痕(如圖1所示)，這些劃痕與板帶延展方向平行，位于板帶中部區(qū)域且劃痕間距不等而無規(guī)律，劃痕沿板帶長度方向周期性的分布在整個板帶材上表面。

此類現(xiàn)象并非在每塊鋁錠坯軋制時都出現(xiàn)，而是在某些鋁合金系的軋制時隨機出現(xiàn)，5×××系鋁合金軋制時出現(xiàn)這種情況的頻次較多。粗軋時鋁板帶表面出現(xiàn)的劃痕會持續(xù)殘留在帶材表面，甚至經(jīng)過后續(xù)的精軋機軋制后仍然無法消除，從而影響最終成品卷材的表面質(zhì)量。

2 鋁板帶劃痕產(chǎn)生現(xiàn)狀

鋁板帶熱軋過程中，影響其表面產(chǎn)生劃痕的因素很多，最常見的是因設備造成的機械劃痕，它多以單條紋隨機出現(xiàn)，紋路較深，觸摸時有粗糙感，此類劃痕一般沒有規(guī)律且無周期性；另外一類是乳液冷卻不均勻會在鋁板帶表面產(chǎn)生乳液印痕，該類印痕一般呈規(guī)律性的片狀分布，嚴格意義上來說，乳液印痕應理解為表面色差。

與以上兩種情況不同的是圖1所示的條狀劃痕，具有一定的規(guī)律性，并且是周期性出現(xiàn)。經(jīng)過對現(xiàn)場情況的觀察和研究，發(fā)現(xiàn)鋁板帶一旦在某道次出現(xiàn)該劃痕后，不僅在該塊料后續(xù)的軋制道次劃痕會一直存在，而且在下一塊鋁錠坯軋制中，也會產(chǎn)生不同程度的印痕。將軋輥拉出后，發(fā)現(xiàn)在上工作輥表面圓周方向有線性粘鋁條紋，其分布范圍、間距均與鋁板帶上表面的條狀劃痕基本吻合。經(jīng)過重新磨輥后再裝在軋機進行軋制生產(chǎn)，其板帶材表面無劃痕產(chǎn)生。因此初步推斷板帶材表面出現(xiàn)劃痕與軋輥表面圓周方向的線性粘鋁條紋有著必然的聯(lián)系。

采用更換軋輥間接的來解決鋁板帶產(chǎn)生劃痕的問題是不現(xiàn)實的，頻繁磨輥不但影響生產(chǎn)節(jié)奏，而且會減少軋輥的壽命。因此，要從軋輥裝配及附屬機械機構(gòu)角度，研究軋輥與板帶在軋制過程中的關(guān)聯(lián)工作狀態(tài)，進一步分析軋輥表面出現(xiàn)條紋損傷的原因，從根本上解決鋁板帶表面產(chǎn)生劃痕的問題。

3 劃痕產(chǎn)生的原因分析

由于鋁合金材料的特性，在軋制過程中板帶材厚度方向上表面和芯部的延展程度不同，會造成鋁板帶頭或帶尾出現(xiàn)張口的現(xiàn)象，俗稱“鱷魚嘴”，如圖2a所示。另外，因上下軋輥直徑不同，帶材厚度方向上溫度分布不均勻，帶材進入軋輥角度等因素，鋁板帶軋制時也會出現(xiàn)嚴重的翹曲現(xiàn)象，即向上尾翹或向下尾勾，如圖2b所示。

圖2 鋁板帶頭”鱷魚嘴”及板帶尾翹曲Fig.2 Head crocodile and tail warping of the aluminum sheet

粗軋機工作輥裝配主要由軋輥、軸承座和衛(wèi)板組成，其結(jié)構(gòu)特點為：軋輥前后安裝有上下衛(wèi)板，呈對稱布置，衛(wèi)板的主要功能是起到保護軋輥和板帶導向的作用。圖3所示為粗軋機工作輥裝配組成及鋁板帶在不規(guī)則的幾種狀態(tài)下軋制過程示意圖。

圖3 粗軋機工作輥裝配組成及軋制過程示意圖Fig.3 Work roll assembly and the rolling process of the roughing mill

圖3a所示為理論上的鋁板帶正常軋制過程中，板帶材與工作輥的上下衛(wèi)板是不接觸的。當板帶材出現(xiàn)“鱷魚嘴”和翹曲情況時，即非正常狀態(tài)軋制，如圖3b所示板帶頭出現(xiàn)“鱷魚嘴”軋制時，鋁板帶進入軋輥過程中，板帶頭與上下衛(wèi)板接觸，衛(wèi)板受到?jīng)_擊力F1和F2。同樣的，如圖3c所示鋁板帶產(chǎn)生向上翹曲軋制時，帶尾與衛(wèi)板接觸，上衛(wèi)板受到擠壓沖擊力F1。從示意圖分析，以上兩種情況下，在穿帶和甩尾瞬間，鋁板帶與衛(wèi)板發(fā)生接觸，在克服鋁板帶變形抗力的過程中，衛(wèi)板會產(chǎn)生較大的彈性形變ΔX，其尖端與工作輥表面接觸，在工作輥表面產(chǎn)生非線性載荷F(圖4所示)，在工作輥轉(zhuǎn)動過程中形成圓周方向的斷續(xù)或連續(xù)的劃痕。

圖4 衛(wèi)板受沖擊時變形示意圖Fig.4 Schematic diagram of deformation of the guard under impact

從衛(wèi)板的安裝方式和受沖擊時的受力圖分析，最大形變發(fā)生在衛(wèi)板中部，也驗證了造成鋁板帶最嚴重的劃痕分布在板帶材中部區(qū)域。由此得出結(jié)論：軋制時，因衛(wèi)板產(chǎn)生變形與工作輥接觸，劃傷軋輥表面是造成板帶材表面產(chǎn)生劃痕的根本原因。

4 預防劃痕的改進措施

為了預防鋁板帶軋制時其表面出現(xiàn)劃痕，主要從以下兩方面提出解決方案。

1)改進衛(wèi)板結(jié)構(gòu)設計

衛(wèi)板的主要功能是保護軋輥及板帶材穿帶時起導向作用。首先，要減小衛(wèi)板受沖擊時的彈性變形量，設計時考慮提高衛(wèi)板的強度和剛性，材料選擇方面應采用剛性較好的鍛鋼件，在結(jié)構(gòu)設計中，在空間允許的情況下，盡可能增大衛(wèi)板受沖擊方向上的有效截面面積，尤其在寬幅軋機中，由于衛(wèi)板長度增加，增強衛(wèi)板的剛性就顯得更為重要。其次，根據(jù)軋制板帶材的品種和翹曲概率，適時調(diào)整增加衛(wèi)板與工作輥表面的間隙。常規(guī)設計中，粗軋機的衛(wèi)板與工作輥輥面理論間隙為3 mm～5 mm，在某些特殊鋁合金軋制時，該間隙可調(diào)整至8 mm；大規(guī)格軋機的衛(wèi)板尖角端也可加工成帶凹型弧度，這樣可有效地減少衛(wèi)板與軋輥表面直接接觸的概率；另外，在衛(wèi)板尖角端堆焊軟合金材料，這樣當衛(wèi)板與工作輥接觸時可降低對軋輥表面的損傷程度，減緩輥面劃痕的產(chǎn)生。

2)防止軋制板帶材翹曲

鋁板帶軋制中造成板帶翹曲的因素有多種，如上下工作輥直徑差異、表面粗糙度差異、板帶材厚度方向溫度不均勻、板帶材進入軋輥角度的影響、上下工作輥中心線不在同一垂直面等。從前面的分析看出，板帶翹曲造成衛(wèi)板產(chǎn)生變形與軋輥接觸，是導致軋輥劃痕損傷的原因之一，那么，有效地控制好鋁板帶軋制過程中的翹曲現(xiàn)象，也是解決鋁板帶產(chǎn)生劃痕的重要手段。一方面從軋輥磨削和安裝角度來保證軋輥直徑、表面粗糙度一致，安裝時保證下軋輥上表面相對于機架輥高差一致，軋輥在軸線方向無傾斜；另一方面從軋制操作控制角度來講，需要考慮軋制速度、壓下量和乳液冷卻潤滑幾個因素，并根據(jù)每臺軋機自身的特點和工人操作經(jīng)驗綜合控制帶材軋制翹曲的問題，從而間接地解決板帶材出現(xiàn)劃痕的問題。

5 結(jié)束語

隨著熱軋鋁板帶產(chǎn)品多樣化和市場需求的日益增加，用戶在產(chǎn)品表面質(zhì)量方面的要求越來越高。鋁板帶熱軋生產(chǎn)過程中，如何提高其表面質(zhì)量已成為現(xiàn)代軋制工藝和設備設計中重點考慮和亟待解決的問題，在今后的設備設計中，應更多地考慮到板帶材劃傷等影響表面質(zhì)量的因素，針對不同的設備特點做廣泛深入的研究，才能更好地提高熱軋鋁板帶的表面質(zhì)量。